SEMESTRÁLNÍ PROJEKT 1

Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Bakalářský studijní program teleinformatika

SEMESTRÁLNÍ PROJEKT 1 Bezdrátové připojení do sítě internet pomocí WiFi technologie

2003/2004

David Crhonek

Obsah 1.

ÚVOD............................................................................................................................4

2.

VZNIK A ROZVOJ WIFI ...........................................................................................4

3.

KOMPONENTY SÍTĚ.................................................................................................5

4.

ZÁKLADNÍ TYPY BEZDRÁTOVÉ SÍTĚ .................................................................6 4.1. 4.2.

5.

AD-HOC SÍTĚ ...........................................................................................................6 INFRASTRUKTURNÍ SÍTĚ ...........................................................................................7

PŘENOS SIGNÁLU V BEZDRÁTOVÝCH SÍTÍCH.................................................7 5.1. 5.2. 5.3.

6.

TECHNIKA PŘÍMO ROZPROSTŘENÉHO SPEKTRA ..........................................................8 TECHNIKA ROZPROSTŘENÉHO SPEKTRA S PŘESKAKOVÁNÍM KMITOČTŮ ......................8 TECHNIKA ORTOGONÁLNÍHO FREKVENČNÍHO MULTIPLEXU .......................................8

HARDWARE BEZDRÁTOVÝCH SÍTÍ WIFI ...........................................................9 6.1. ACCESS POINT (AP) .................................................................................................9 6.2. SMĚROVAČ (ROUTER)............................................................................................10 6.3. ANTÉNY ................................................................................................................11 6.3.1. Základní rozdělení antén ...............................................................................11 6.3.2. Směrovost antén ............................................................................................12 6.3.3. Zisk antény....................................................................................................12 6.3.4. Polarizace.....................................................................................................13 6.3.5. Vyzařovací úhel.............................................................................................13 6.4. KABELY A KONEKTORY..........................................................................................13 6.4.1. Kabely a jejich správný výběr........................................................................13 6.4.2. Konektory......................................................................................................14

7.

VÝSTAVBA SÍTÍ WIFI .............................................................................................14 7.1. ZÁKLADNÍ POŽADAVKY NA SÍŤ ...............................................................................14 7.2. ZAKRESLENÍ PLÁNU SÍTĚ ........................................................................................15 7.3. PROVĚŘENÍ PLÁNU .................................................................................................15 7.4. EFEKTIVNÍ VYUŽITÍ RADIOVÉHO SPEKTRA...............................................................16 7.5. PLÁNOVÁNÍ VENKOVNÍ SÍTĚ ...................................................................................16 7.5.1. Kvalita radiového spoje.................................................................................17 7.5.2. Ztráty signálu při přenosu .............................................................................17 7.5.3. Ztráty ve volném prostoru .............................................................................17 7.5.4. První Fresnelova zóna a její dopad na přenos signálu...................................18 WIFI SÍŤE, ANO ČI NE? ..........................................................................................18

8.

8.1. 8.2. 9. 10.

VÝHODY BEZDRÁTOVÝCH SÍTÍ ...............................................................................18 NEVÝHODY A NEDOSTATKY SÍTÍ WIFI....................................................................19

ZÁVĚR .......................................................................................................................19 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY....................................................................20

2

Seznam obrázků Obr. 3.1: Základní fyzické komponenty sítě 802.11................................................................5 Obr. 4.1: Princip komunikace v Ad-hoc síti ............................................................................6 Obr. 4.2: Principiální schéma infrastrukturní sítě ....................................................................7 Obr. 6.1 : Příklad vzhledu běžného přístupového bodu (Linksys WAP-11 - WB) .................10 Obr. 6.2: Možné tvary antén: všesměrová, sektorová a směrová (yagi) anténa ......................12 Obr. 6.3 : Konektor N male 9 mm krimpovací ......................................................................14 Obr. 7.1: Schéma efektivního využití tří nepřekrývajících se kanálů .....................................16 Obr. 7.2: Příklad zásahu do První Fresnelovi zóny................................................................18

3

1. ÚVOD

V následujícím textu se budu věnovat problematice bezdrátových sítí WiFi. Problematika WiFi sítí je v poslední době častým tématem a mnohdy jedinou možností, jak připojit malé vesnice do sítě Internet. Také právě to mě přimělo k výběru tohoto tématu. Nejprve se zmíním o WiFi sítích obecně, o jejich vzniku, různých standardech a o tom, proč tyto sítě vlastně vznikly. Dále, na co bych se chtěl hlavně zaměřit, je hardware bezdrátové sítě. Tu to část bych pojal jako seznámení s jednotlivými komponentami WiFi, jejich základní vlastnosti, ale také to, jak se jednotlivé komponenty liší od různých výrobců. Tato část by měla dát člověku základní přehled v hardwaru WiFi a pomoci správně se rozhodnout při nákupu jednotlivých komponent. Na tuto část bych pak navázal problematikou vlastní výstavby bezdrátové sítě, její plánování a problémy, které mohou nastat např. vlivem okolního prostředí.

2. VZNIK A ROZVOJ WIFI

Od dob, co lidstvo vynalezlo a sestrojilo první počítače, byla snaha tyto počítače navzájem propojit do jakési sítě tak, aby spolu mohly vzájemně komunikovat, popř. vyměňovat a sdílet různá data. Tento požadavek se podařilo díky kabelovým sítím (ať už metalickým nebo optickým) dostatečně realizovat a do dnešní doby již vznikly sítě, které svou rychlostí v řádu desítek či stovek Mb/s bohatě postačují běžným požadavkům uživatele. Ale jak už tomu většinou bývá, člověk je tvor náročný a chtěl mít také možnost libovolně se v těchto sítích pohybovat, aniž by za sebou musel tahat desítky metrů kabelů. Dalším důvodem, proč kabelové sítě již nepostačovaly, bylo zasíťování např. historických budov a dalších objektů, kde by bylo natahování kabeláže problematické. Proto se začalo stále víc diskutovat o tvorbě bezdrátové sítě a tím poskytnout uživateli do jisté míry určitou mobilitu. Do bezdrátové sítě můžeme zařadit např. mobilní telefonní sítě (např. GSM), radiové sítě TETRA, profesionální datové sítě nebo dokonce sítě televizního a radiového vysílaní. Jenomže tyto sítě využívají tzv. licencované pásmo a za jejich provoz je nutné platit a to z toho důvodu, že využitelných frekvencí pro přenos informací není nekonečně mnoho. Kdo si tedy zaplatí, ten může v daném frekvenčním pásmu vysílat a nikdo jiný toto pásmo užívat nesmí. Jenže existují také zařízení, které ke své činnosti využívají radiové frekvence (např. mikrovlná trouba) a aby každé z těchto zařízení mělo svoji licenci bylo takřka nemožné. Proto se vyhradilo bezlicenční pásmo pro průmyslové, vědecké a lékařské potřeby na frekvenci 2,4 GHz (ISM pásmo). Právě toto pásmo začalo být zajímavé pro výrobce výpočetní techniky. Nejprve každý výrobce vyráběl vlastní technologii, ale v roce 1997 publikoval institut IEEE standard pro bezdrátové sítě v pásmu ISM pod číslem 802.11. To přineslo značnou výhodu, a to jistou kompaktibilitu mezi zařízeními různých výrobců. Bezdrátová síť tohoto standardu nabízela rychlost “až“ 2 Mb/s, později vznikl standard 802.11b, který nabízel rychlost 11 Mb/s a standard 802.11g s rychlostí 54 Mb/s. Mezi tím ještě vznikl standard s označením 802.11a pracující s rychlostí také 54 Mb/s, ale v novém bezlicenčním pásmu 5GHz. Výrobky splňující všechna kritéria standardu 802.11, dostali logo WiFi (z anglického Wireless Fidelity – bezdrátová věrnost), mluvíme tedy o WiFi sítích. Výrobky WiFi se začaly značně rozšiřovat také hlavně značnému poklesu cen a jejich obliba stále roste. Jejich užití je nejen, jak už jsem se zmínil, v historických budovách, ale největší obliby našly kupodivu v mnoha domácnostech a menších kancelářích, kde bylo třeba na menším prostoru propojit několik PC. Kdo by ale čekal, že tato bezdrátová síť našla 4

uplatnění pouze v rámci jedné místnosti, či jedné budovy, by se mýlil. V dnešní době se hojně využívá největší výhody bezdrátových sítí, a to možnosti připojit se všude v dosahu signálu sítě. Můžeme se tedy setkat se sítí, fungující např. v prostranství čerpací stanice, parku, banky nebo na letišti (pro tyto sítě se ujal název “hotspot“), ale také i se sítí, vykrývající plochu až jednotek, ne-li desítek čtverečních kilometrů, např. pro celé městské části nebo vesnice.

3. KOMPONENTY SÍTĚ

Každá síť dle standardu 802.11 se skládá ze čtyř základní fyzických komponent, a to z[1]: Ø Ø Ø Ø

distribuční systém přístupový bod (access point – AP) bezdrátové médium stanice

Obr. 3.1: Základní fyzické komponenty sítě 802.11

Distribuční systém je logická komponenta sloužící k přesměrování datového toku na stanici skutečného určení podle její aktuální polohy, a to v případě, kdy máme v síti několik přístupových bodů a ty spolu musí komunikovat a předávat si informace o pohybu mobilních stanic. Standard 802.11 doposud nespecifikoval žádnou konkrétní technologii distribučního systému, proto komerční produkty řeší tento problém po svém, většinou kombinací síťov mostu a distribučního média, sloužícího k přenosu dat mezi přístupovými body (většinou páteřní síť Ethernet). Jestliže neočekáváme propojení bezdrátové a kabelové sítě, pak distribuční systém není potřeba. Přístupový bod slouží ke směrování provozu mezi jednotlivými bezdrátovými účastníky a zároveň mezi nimi a kabelovou sítí (většinou Ethernetem). Tvoři tedy také jakýsi most (bridge) mezi bezdrátovou a kabelovou sítí.

5

Bezdrátové médium - v případě bezdrátových sítí 802.11 považujeme za přenosové médium radiové frekvence 2,4 a 5GHz a infračervenou fyzickou vrstvu. Stanice jsou obecně jakákoliv koncová zařízení, která spolu chtějí navzájem komunikovat (např. PC, notebook, PDA, atd.).

4. ZÁKLADNÍ TYPY BEZDRÁTOVÉ SÍTĚ V bezdrátových sítích se můžeme setkat se dvěma základními způsoby spojení z hlediska komunikace, a to [2]: Ø Ad-hoc sítě Ø Infrastrukturní sítě

4.1.

Ad-hoc sítě

Komunikaci v síti Ad-hoc názorně ukazuje obr. 4.1.

Obr. 4.1: Princip komunikace v Ad-hoc síti

Princip spočívá ve vzájemné komunikaci jednotlivých stanic navzájem, tzn. že např. PDA může přímo komunikovat s notebookem 1 nebo s PC, atd. Problém je v tom, že PDA musí být v dosahu signálu notebooku 1 a PC, notebook 2 musí být v dosahu signálu notebooku 1 a PC, atd. Z toho je tedy patrná největší nevýhoda této sítě, a to její dosah, neboť jedna stanice musí být v dosahu ostatních stanic. Ad-hoc sítě se dají použít např. pro spojení dvou nebo několika počítačů v bytě nebo menší kanceláři nebo třeba pro krátkodobé spojení několika počítačů za účelem vzájemné výměny dat nebo hraní her po síti, to vše samozřejmě na omezeně malém prostoru.

6

4.2.

Infrastrukturní sítě

Infrastrukturní síť řeší hlavní nevýhody sítě Ad-hoc, a to krátký dosah a nutnost dosahu jednotlivých stanic spolu navzájem. Princip opět zachycuje obr. 4.2. Z něj je vidět, že o vzájemnou komunikaci mezi jednotlivými stanicemi se stará komponenta zvaná Access point (přístupový bod). Ten svým signálem pokrývá určitou oblast (závislou na použité anténě a AP) a stanice, která se v této oblasti nachází, může komunikovat s jinou stanicí v této oblasti. Data tedy putují dvěma skoky, nejprve z vysílací stanice na přístupový bod a odtud na cílovou stanici. Jestliže tedy chceme vysílat např. ze stanice 1 na stanici 3, data putují nejprve na AP a odtud na stanici 3, ale stejně tak třeba když komunikuje stanice 6 se stanicí 5, jdou data též přes AP (ikdyž jsou od sebe vzdáleny méně než od AP). Tímto způsobem propojení dosahujeme mnohem větší oblast pokrytí než u Ad-hoc sítě, třeba i na ploše několika čtverečních kilometrů. Také proto jsou infrastrukturní sítě mnohem více v praxi využívány, a to třeba v kancelářích, kdy je třeba bezdrátově propojit více zařízení nebo pro třeba už zmíněné hotspot sítě.

Obr. 4.2: Principiální schéma infrastrukturní sítě

5. PŘENOS SIGNÁLU V BEZDRÁTOVÝCH SÍTÍCH

V bezdrátových sítí se používají přenosy tzv. "v rozprostřeném spektru" (Spread Spectrum Transmissions). Dnes se tyto techniky používají s hlavním cílem - dosáhnout větší odolnosti proti rušícím vlivům, bez nutnosti koordinace jednotlivých přenosů (a obecně také kvůli větší spolehlivosti, možnosti používat menší vysílací výkon, což vede k nižší spotřebě atd.).

7

Základní tři techniky [3]: Ø technika přímo rozprostřeného spektra (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) Ø technika rozprostřeného spektra s přeskakováním kmitočtů (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) Ø technika ortogonálního frekvenčního multiplexu (Orthgonal Frequency Division Multiplex, OFDM)

5.1.

Technika přímo rozprostřeného spektra

Technika přímo rozprostřeného spektra předpokládá, že každý jednotlivý bit, určený k přenosu, je nejprve nahrazen určitou sekvencí bitů, a skutečně přenášena (modulována na nosný signál) je pak tato až sekvence bitů. Například standard 802.11 pro přenosové rychlosti 1 Mbps a 2 Mbps počítá s tím, že každý bit je nahrazen 11-bitovou sekvencí bitů (tzv. Barterovým kódem), označovanou také jako tzv. chip. Jde tedy vlastně o umělé zavedení redundance (nadbytečnosti), podobné tomu, které se při datových přenos někdy používá pro zajištění větší spolehlivosti přenosů (jde o tzv. samoopravné kódy, umožňující příjemci opravit část eventuelních chyb při přenosech). Zde je ale důvod pro zavedení takovéto redundance jiný - signál je zde rozprostřen do větší části spektra, je méně citlivý vůči rušení (což opět zvyšuje spolehlivost přenosu), a ostatním uživatelům se jeví jako náhodný šum (k tomu je zapotřebí, aby příslušná sekvence bitů, alias chip, byla volena alespoň pseudonáhodně).

5.2.

Technika rozprostřeného spektra s přeskakováním kmitočtů

Nosný signál s namodulovanými daty je vysílán na určité frekvenci (resp. v úzkém frekvenčním pásmu, sub-kanálu, v případě 802.11 o šířce 1 MHz) jen po velmi krátkou dobu (maximálně 400 milisekund), a poté "přeskočí" a pokračuje na jiné (dostatečně "vzdálené") frekvenci, a takto se vše trvale opakuje - s tím že vysílající i přijímající strana dopředu zná přesnou sekvenci "přeskoků. V sítích WLAN se tohoto efektu využívá k tomu, aby se omezil vliv "souběhů", kdy různé přenosy využívají stejné frekvence. Ani při vhodně volených sekvencích přeskoků sice nejsou vyloučeny souběhy a vzájemné rušení, ale jejich efekt je minimalizován omezenou délkou trvání souběhu dvou přenosů na stejném sub-kanále.

5.3.

Technika ortogonálního frekvenčního multiplexu

Zde nejde o techniku "rozprostřeného spektra", protože nosný signál zde nemění svou frekvenční polohu, ale na druhé straně celá tato technika slouží stejnému účelu - "rozprostírá" přenos do větší části spektra, s cílem dosáhnout co nejvyšší celkové přenosové rychlosti. Konkrétní princip je takový, že tu část frekvenčního spektra, kterou má tato technika k dispozici, rozděluje na menší části (sub-kanály), po kterých přenáší samostatné nosné signály (sub-nosné). Na každý takovýto (sub) nosný signál pak mohou být samostatně namodulována konkrétní data, čímž v zásadě vzniká nezávislý přenosový kanál. Lze si tedy představit, že "celková" data, určená k přenosu, jsou průběžně rozkládána do jednotlivých dílčích přenosových kanálů, přičemž toto rozdělování může být adaptivní a sledovat to, jaké jsou v daném okamžiku přenosové schopnosti daného dílčího kanálu (jak se v něm projevuje event. rušení atd.) - momentálně nejméně zarušené dílčí kanály mohou být využívány intenzivněji (s 8

vyšší přenosovou rychlostí) než ty dílčí kanály, které právě vykazují zhoršené přenosové vlastnosti.

6. HARDWARE BEZDRÁTOVÝCH SÍTÍ WIFI

Komponenty, které jsou potřeba pro provoz běžné WiFi sítě s možností připojení do sítě Internet, jsou následující [1]: Ø Přístupový bod (Access point) Ø Bezdrátový směrovač (Router) Ø Klientské adaptéry (PCI, PCMCIA, USB) Další samostatnou kapitolou pak jsou samozřejmě antény, konektory a kabeláž, na které se mnohdy kladou velké nároky. V dnešní době je na trhu mnoho různých značek WiFi techniky od těch nejznámější, jako třeba Orioco nebo Nomadix až po tzv. noname, které se k nám dováží především z Asie. Nelze tak snadno říci, že levné výrobky jsou nekvalitní, nebo že čím dražší výrobek si koupíme, tím spolehlivěji nám bude síť běhat. U klientských adaptérů může být rozdíl v ceně totiž dán pouze přiloženým softwarem, který běh sítě téměř nijak neovlivní, zato nám může velice ulehčit instalaci, nastavení nebo správu. Právě giganti, jako třeba Orinoco, dodávají ke svým výrobkům velice propracovaný software a pak už je jen na uživateli, zda si ke své práci zvolí Wizard, nebo třeba konfiguruje pomocí webového rozhraní. Další, neméně důležitou věcí, na kterou musíme při koupi dbát, je podpora různých operačních systémů, protože ovladače, určené pro Windows, nemusí chodit např. pod Linuxem a naopak. Čipový sada (chipset) nám udává vlastnosti daného zařízení a právě jí se nejvíce různá zařízení odlišují. Právě na chipsetu závisí přenosová rychlost daného zařízení (2, 11, 54 Mb/s) nebo podpora regulace výkonu. Nejznámějšími výrobci chipsetů jsou např. Intersil, Lucent a Agere.

6.1.

Access point (AP)

Jak jsem si již zmínil, přístupový bod slouží ke směrování provozu mezi jednotlivými bezdrátovými účastníky a kabelovou sítí. Z toho plynou některé jeho základní vlastnosti, podle kterých se musíme při výběru AP řídit [1]: Výkon – ten nám udává, maximálně kolik uživatelů AP zvládne. Bývá to většinou od 30 uživatelů, ale maximum je 256 uživatelů. To je celkem logické když si uvědomíme, je rychlostní pásmo je sdílené a čím více uživatelů tedy bude připojeno, tím více bude síť pomalejší. Možnost připojení externích antén a Ethernetu Přístupové body mají většinou dvě antény (viz. obr. 6.1), které lze téměř vždy odmontovat, což je výhodné, chceme-li připojit vlastní externí anténu. V případě, že AP má pouze jednu externí anténu, pak je druhá umístěná pod krytem a slouží k vykrytí blízkého okolí přístupového bodu. I když má přístupový bod dvě antény, tak vysílá vždy pouze jednou, dvě má z důvodu výskytu vícecestných interferencí (použije se ta, která má vůči vysílači lepší pozici). Dalším nezbytným prvkem přístupového bodu je konektor RJ-45 pro připojení páteřní

9

sítě, většinou Ethernetu. Zde je třeba zmínit jen podporu rychlosti 10 Mb/s nebo 100 Mb/s, ale v dnešní době si zajím ještě ve většině případů vystačíme s 10 Mb/s.

Obr. 6.1 : Příklad vzhledu běžného přístupového bodu (Linksys WAP-11 - WB) Další konektory Přístupové body mohou obsahovat také rozhraní RS-232 pro možnost dálkové zprávy modemem nebo sériovým kabelem a samozřejmě konektor napájení. Některé přístupové body dokonce umožňují napájení přímo ethernetovým kabelem. To může být výhodné např. v případě umístění AP na střeše. Rozšiřující funkce Právě rozšiřujícími funkcemi se tvoří velké rozdíly mezi přístupovými body. Většinu z nich běžný uživatel nepotřebuje a je jen na něm, za co je schopen si připlatit, protože pochopitelně za každou funkci navíc si bude muset sáhnout hlouběji do kapsy. Zde jsou některé z nich: Podpora DHCP – tato vlastnost je u AP velmi žádaná a často využívaná. Jedná se o to, že když jej připojíme do sítě, tak si sám nakonfiguruje své připojení. AP s podporou DHCP potom automaticky přiděluje adresy bezdrátovým klientům. Zabezpečení – jedná se o šifrování přenosu dat(WEP, WPA, aj.) a řízení přístupu k bodu(kontrola MAC adres). Roaming – možnost přechodu od jednoho přístupového bodu ke druhému VPN(virtual private network) – možnost připojit se bezpečně do jiné sítě skrze Internet Síťový most(bridge) – možnost propojení dvou (point to point) nebo více (point to multipoint) sítí LAN Bezdrátový opakovač(repeater) – umožňuje bezdrátově propojit jednotlivé přístupové body mezi sebou a ethernetovou přípojku použít jen u jednoho z nich

6.2.

Směrovač (Router)

Směrovač je zařízení starající se o směrování provozu mezi vnitřní sítí a Internetem. Tvoří vlastně rozhraní mezi vnitřní sítí a propojením do Internetu. Asi nejčastěji používaný je širokopásmový směrovač, často nazývaný soho nebo domácí směrovač. Tento směrovač je určen pro směrování provozu několika málo počítačů přes nějaký širokopásmový, rychlý (broadband) kanál do Internetu, např. přes kabelovou televizi, ADSL, aj.

10

Jednotlivé části směrovače [1]: Rozhraní WAN – jedná se o rozhraní pro připojení do Internetu realizováno konektorem RJ-45. LAN pro zapojení několika počítačů vnitřní sítě – většinou čtyři konektory 100 megabitového ethernetu DHCP server – stará se o zaslaní nastavení jednotlivým klientům NAT a firewall – směrovače bývají vybaveny firewallem na bázi NAT, tedy interního překladače adres a zamezení přístupu na porty jednotlivých síťových služeb. Díky tomu se nelze zvenčí dostat jednoduše na počítače ve vnitřní síti. DMZ (demilitarizovaná zóna) – umožňuje zadat IP adresu jednoho počítače, na který bude probíhat směrování bez kontroly a omezení firewallem Omezení a řízení – možnost definovat seznam MAC adres, ze kterých se lze připojit na směrovač Print server – možnost připojení tiskárny pře paralelní port a její využívání kterýmkoliv počítačem v síti WiFi – možnost připojení do sítě přes WiFi

6.3.

Antény

Nedílnou součástí WiFi sítí jsou samozřejmě antény. V některých případech je na antény kladen menší požadavek a tak se jimi při návrhu sítě příliš nezabýváme. To bývá většinou tehdy, má-li síť pracovat v rámci jedné místnosti, či větších prostorách s přímou viditelností a minimálním rušením. Jindy ovšem může být správná volba antény velice důležitá a právě na ní závisí bezchybný chod sítě i v nejhorších podmínkách. Jedná se hlavně o případy venkovních sítí, sítí pracujících v oblasti silného zarušení, nebo několikakilometrového bezdrátového spoje. 6.3.1. Základní rozdělení antén Kritérií, podle kterých můžeme rozdělit antény je hned několik. Mezi ty základní patří [1]: Ø směrovost Ø zisk Ø polarizace Ø vyzařovací úhel

11

6.3.2. Směrovost antén Směrovost antény je vlastnost, která nám říká, do jakých směrů anténa signál distribuuje. Podle toho dělíme antény na: Ø všesměrové Ø sektorové Ø směrové

Obr. 6.2: Možné tvary antén: všesměrová, sektorová a směrová (yagi) anténa Všesměrové antény Základní jejich vlastností je, jak už název napovídá, šíření signálu do všech směrů, vykrývají tedy úhel 360 stupňů. Používáme je v případech, požadujeme-li souvislé pokrytí. Tyto antény výrobce často dodává k jednotlivým zařízením. Sektorové antény Na rozdíl od všesměrových antén, antény sektorové vykrývají pouze oblast pod určitým úhlem, např. 60°, 90°, 180°, atd. Používají se k vykrytí jen určitého prostoru, kde se předpokládá provoz sítě a tím případně zabránit nežádoucímu přístupu k síti (např. vyzařování mimo stěny místnosti). Směrové antény Tyto antény jsou vlastně jakousi podskupinou sektorových antén,ale úhel, pod kterým vyzařují, je mnohem menší, než u sektorových. Vhledem k tomu, je signál je soustředěn pouze do jednoho bodu, jsou schopny dozářit na větší vzdálenost, proto je možné díky těmto anténám tvořit i několika kilometrové bezdrátové spoje. 6.3.3. Zisk antény Zisk je definován jako poměr mezi intenzitou vyzařování v daném směru k intenzitě vyzařování, kterou bychom obdrželi, kdyby energie přijatá anténou byla vyzářena rovnoměrně do všech směrů, teda tzv. izotropní anténou. Čím větší tedy má anténa zisk, tím dále je schopna dozářit. Jednotkou zisku je dBi (decibel na izotrop) nebo také někteří výrobci udávají zisk v dBd (decibel na dipól).

12

6.3.4. Polarizace Pro bezdrátový přenos se používají dva typy polarizace [1]: Ø lineární § horizontální § vertikální Ø kruhová § pravotočivá § levotočivá Rovina polarizace je dána konstrukčním uspořádáním antény. Jestliže chceme optimální provoz datového spoje, musí být obě stanice vybaveny anténou se stejným druhem polarizace. Kdyby toto nebylo dodrženo, pak bychom museli počítat se ztrátami. 6.3.5. Vyzařovací úhel Vyzařovací úhel definuje, do jakého směru a pod jakým úhlem anténa vyzařuje. U každé antény se uvádí dva úhly vyzařování, horizontální (viz. směrovost antén) a vertikální (vymezuje výšku vyzařovacího kužele).

6.4.

Kabely a konektory

6.4.1. Kabely a jejich správný výběr Pro přenos signálu v pásmu 2,4GHz jsou doporučeny kabely s impedancí 50Ω. Je možné použít také kabely s jinou impedancí, ale v takových případech již dochází k velkým interferencím a tím může dojít ke snížení přenosové rychlosti na lince. Co nás ale při koupi kabelu zajímá snad nejvíc je to, jaký má kabel útlum. Ten se udává v decibelech na délku jednoho metru kabelu. Je jasné, že čím menší útlum kabel má, na tím větší vzdálenosti jej můžeme použít bez nějakých dramatických ztrát. Obecně ale platí, že čím menší útlum, tím větší je pak jeho cena, ale také i jeho průměr. Ještě před tím, než kabel koupím, je dobré si pořádně rozmyslet, kolik kabelu budu potřebovat a jaký maximální útlum si mohu dovolit a podle toho potom kabel koupit. Je totiž zbytečné pořizovat co nejdražší kabel, vždyť na deseti metrech kabelu mohu ušetřit i 500 Kč. Dále, o co bychom se měli před vlastní pokládkou kabelu zajímat, je minimální poloměr ohybu, neboť při jeho překročení dochází k prudkému růstu útlumu. [1]

13

6.4.2. Konektory Konektory slouží k propojení mezi jednotlivými WiFi prvky a anténou. Pro WiFi se používají zejména dva druhy konektorů, a to [1]: - N konektory (viz obr. 6.3) - SMA konektory (R-SMA)

Obr. 6.3 : Konektor N male 9 mm krimpovací N konektory jsou robustnější, vznikají na nich menší ztráty a používají se většinou k propojování kabelů a namáhaných dílů (např. kabely na antény). SMA konektory jsou drobnější a používají se přímo na WiFi zařízeních, jako třeba na PCI kartách nebo přístupových bodech. K propojení N konektorů a R-SMA konektorů se používá redukce, pro niž se ujal název pigtail.

7. VÝSTAVBA SÍTÍ WIFI

Dostávám se k tématu plánování a výstavbě sítě. Plánování by se měl před vlastní výstavbou věnovat nějaký čas, protože potom nám to může ušetřit mnoho problémů, času i peněz. Jestliže se jedná o síť, pracující v rámci menšího bytu či kanceláře, asi příliš co plánovat nepotřebujeme, ale chceme-li pokrýt celou např. firmu, která má více místností, nebo dokonce plánujeme výstavbu venkovní sítě, je určitě takovéto plánování na místě.

7.1.

Základní požadavky na síť

Oblast pokrytí – je potřeba si ujasnit, jak velkou oblast potřebujeme pokrýt signálem a od toho odvodit počet přístupových bodů Propustnost sítě – každý by chtěl samozřejmě rychlost co možná největší, ale zde je třeba si uvědomit, že čím větší rychlost chceme, tím více nás to bude stát. Také musíme vědět, že pásmo je sdílené a nasadíme-li technologii 802.11b, tedy přenosovou rychlost 11 Mb/s a připojí se např. deset lidí, každý bude mít k dispozici 1,1 Mb/s. Používáme-li síť jako sdílení přístupu na Internet, tedy k zasílání e-mailů, prohlížení webových stránek a občasnému stahování větších souborů, tak nám tato rychlost z přehledem postačuje. Ale jestliže počítáme

14

s větším počtem uživatelů nebo požadujeme možnost rychle přenášet data, pak se už vyplatí přemýšlet o nasazení technologie 802.11g, tedy rychlosti 54 Mb/s. Počet uživatelů - kolik uživatelů očekáváme, že bude využívat síť (volba přístupového bodu s např. max. obsluhou 30 uživatel) a jakou kvalitu od ní čekají Podpora páteřní sítě – možnost připojení bezdrátové sítě k páteřní síti. Bude možné připojit do ethernetu všechny přístupové body? Nebo stačí připojit pouze jeden a ostatní propojit mezi sebou opět bezdrátově? Možnost mobility – požadujeme plnou mobilitu s plynulým přechodem od jedné stanice ke druhé bez nutnosti odpojení od sítě, nebo postačí “nemobilní“ připojení? Požadavky na zabezpečení – jaké je požadované zabezpečení celé sítě, popř. jakým způsobem ji budeme zabezpečovat? Vliv prostředí – v jakém prostředí bude síť pracovat? Nejedná se o zarušenou oblast nebo oblast, kde stojí v cestě signálu nějaké překážky? [1]

7.2.

Zakreslení plánu sítě

Jestliže plánujeme bezdrátovou síť, je dobré si nakreslit plán budoucí sítě (pokud se nejedná o jednoduchou síť např. v rámci jedné místnosti). Do tohoto plánu je dobré zakreslit všechny pro signál problematické překážky, jako jsou třeba železobetonové zdi nebo třeba i normální příčky a také zmapovat současnou infrastrukturu, kterou pro bezdrátovou síť použijeme. Jedná se hlavně o ethernetové a elektrické zásuvky pro připojení přístupových bodů. Dalším problémem, který bychom měli do plánu zaznamenat, je počet uživatelů, kteří se budou připojovat v různých částech sítě, neboť v některých částech sítě se může i třeba jednou za čas vyskytnout tolik uživatelů, že sdílená kapacita jednoho bodu může být nedostačující. Do takto připraveného plánu si nyní můžeme zakreslit pozici jednotlivých přístupových bodů a jejich pokrytí prezentovat kružnicemi (použijeme-li všesměrové antény), jejichž průměr je závislý na použité anténě. Musíme teď počítat s tím, že síla signálu s každou zdí klesá a proto za třetí či čtvrtou zdí (v závislosti na materiálu) již bude potřeba další přístupový bod. Také bychom měli zvážit vykrytí různých míst (např. chodby, šatny, atd.), neboť můžeme ušetřit třeba nějaký ten přístupový bod a vyvarovat se neoprávněnému přístupu k síti. [1]

7.3.

Prověření plánu

V momentu, kdy máme plán hotový, je vhodné jej prověřit v praxi, provést tzv. Site Survey. K tomu budeme potřebovat utilitu pro měření kvality radiového spoje (dodávaná k většině WiFi zařízení), alespoň jeden přístupový bod a nejlépe notebook s WiFi kartou. Nyní můžeme pomocí utility proměřit všechna klíčová místa plánu a poopravit skutečný dosah pokrytí jednoho bodu. Můžeme tak zjistit, že signál se nám dostal na místo, kde jsme s ním už nepočítali a tak třeba vyloučit použití dalšího bodu. Zjistíme také skutečné rychlosti a kvalitu sítě.

15

7.4.

Efektivní využití radiového spektra

V České republice máme k dispozici pro WiFi 13 kanálů. Kanál 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Frekvence (GHz) 2,412 2,417 2,422 2,427 2,432 2,437 2,442 2,447 2,452 2,457 2,462 2,467 2,472

Tab. 7.1: Přehled frekvencí prvních 13 kanálů používaných v ČR Z tab. 7.1 [1] je vidět, že odstupy jednotlivých kanálů jsou 5MHz. Díky technice rozprostřeného spektra je rozsah jednoho z nich 22MHz, z čehož plyne, že zasahuje do dalších kanálů. Jediné kanály, které se neovlivňují a můžeme je současně použít, jsou první, šestý a jedenáctý. Provozujeme-li dva přístupové body, musí každý samozřejmě pracovat na jiném kanále, tedy jeden např. na prvním a druhý na šestém. Pro více přístupových bodů můžeme zvolit např. schéma z obr. 7.1:

Obr. 7.1: Schéma efektivního využití tří nepřekrývajících se kanálů V praxi si se třemi nepřekrývajícími kanály mnohdy nevystačíme, proto se snažíme volit kanál s číslem co nejvíce vzdáleným od nejsilnějšího dalšího kanálu. Jestliže jsou buňky odděleny pomocí sektorových antén, není třeba používat nepřekrývající se kanály.

7.5.

Plánování venkovní sítě

Přestože byla WiFi síť původně určena pro vnitřní používání, v dnešní době nachází časté uplatnění právě pro venkovní sítě. Zde ovšem přibývají další problémy, se kterými se ve vnitřních prostorech nesetkáme. [1]

16

7.5.1. Kvalita radiového spoje Kvalitu radiového spoje určuje: Ø efektivní vysílací výkon – součet vysílacího výkonu WiFi zařízení a zisku antény, od kterého se odečte ztráta na kabelu a konektorech Ø ztráta při přenosu – ztráty na signálu ve volném prostoru a ztráty vlivem zásahu do první Fresnelovy zóny Ø efektivní citlivost přijímače – součet zisku antény a citlivosti přijímače s odečtem ztrát na kabelu a konektorech Požadovanou citlivost přijímače pak vypočteme ze vztahu 7.1 [1]: Pr = Pt – Lp + Gt + Gr – Lt – Lr

(7.1)

Pr - požadovaná citlivost přijímače Pt - vysílací výkon vysílače (v dBm nebo dBW) Lp - ztráty signálu při přenosu (v dB) Gt - zisk antény vysílače (dBi) Gr - zisk antény přijímače (dBi) Lt - ztráty mezi vysílačem a anténou vysílače (kabely+konektory) (dB) Lr - ztráty mezi vysílačem a anténou přijímače (kabely+konektory) (dB) Při výběru komponent sítě je také třeba počítat s tím, že c České republice je povolen maximální vyzářený výkon (efektivní vysílací výkon)100mW, tedy 20dB. 7.5.2. Ztráty signálu při přenosu -

refrakce (lom) o zemskou atmosféru (pro frekvenci 2,4GHz se neuvažuje) difrakce (ohyb) o předměty v blízkosti trasy signálu reflexe (odraz) o zem

7.5.3. Ztráty ve volném prostoru Jedná se o ztráty, ke kterým dochází vlivem průchodu signálu zemskou atmosférou, volným prostorem bez překážek. Tuto ztrátu je možno vypočítat podle vztahu 7.2 (Friisova formule) [1]: Lp = 92,45 + 20.log10 f + 20.log10 d , (7.2) kde: Lp – ztráta ve volném prostoru (dB) f – frekvence (GHz) d – vzdálenost (km)

17

7.5.4. První Fresnelova zóna a její dopad na přenos signálu Převážná část energie vlny je nesena v prostoru okolo přímky spojující vysílací a přijímací antény. Tento prostor má tvar elipsoidu a nazývá se První Fresnelova zóna. V této oblasti se přenáší asi 90% energie. Průměr elipsoidu závisí na vzdálenosti antén a na vlnové délce signálu. [1]

Obr. 7.2: Příklad zásahu do První Fresnelovi zóny Na obr. 7.2 je znázorněn případ, kdy do Fresnelovi zóny zasahuje strom. Může tak dojít k výraznému zhoršení přenosu, i když na první pohled je mezi oběma anténami přímá viditelnost.

8. WIFI SÍŤE, ANO ČI NE? 8.1.

Výhody bezdrátových sítí

Zřejmě hlavní výhodu už jsem v úvodu zmínil a tou je mobilita. Ta plyne z bezdrátového spojení mezi účastníkem a základnovou stanicí a tak se můžeme libovolně pohybovat v rámci celé sítě, tedy všude tam, kde je signál. Také odpadá problém natahování kabeláže, takže jsme ušetřeni od někdy často komplikovaného probourávání zdí, lištování, nebo umístění zásuvek. Často se bezdrátové sítě využívá k distribuci Internetu na místech, kde se dostat na Internet jinak, než přes telefonní modem , je nemožné, jako třeba na vesnicích. Naopak v místech, kde existují různé způsoby připojení do Internetu, třeba pomocí ADSL, nebo kabelové televize, je WiFi oblíbená jako prostředek pro sdílení tohoto připojení a tak můžou třeba kamarádi, bydlící od sebe i několik stovek metrů, toto využívat jedinou přípojku a složit se na měsíční poplatek právě třeba poskytovateli ADSL. Také jsem se již zmínil o rychlém rozšiřování Hotspotů, tedy sítí, kterých se stále využívá na veřejných místech, jako jsou letiště, hotely, parky a další.

18

8.2.

Nevýhody a nedostatky sítí WiFi

Z předchozího výkladu by se mohlo zdát, že WiFi sítě jsou vlastně dokonalé, tak proč tedy používat běžné “drátové“ sítě typu ethernet? No zřejmě největší slabinou těchto sítí je jejich bezpečnost. Právě proto, že data jsou přenášena bezdrátově a je možné se připojit všude v dosahu signálu, může potenciální útočník nepozorovaně někde, aniž bychom o něm věděli, sednout se svým notebookem a pomocích různých programů “nabourat“ naši síť (doba, za kterou by se mu to podařilo je úměrná kvalitě zabezpečení). Do kabelové sítě se takto jednoduše dostat nelze, připojit se můžeme pouze v místě, kde je zásuvka. Větší bezpečnost by měl řešit standard 801.11i s vylepšením autorizačního a šifrovacího algoritmu. Další nevýhodou, o které se mluví již méně, je rychlost těchto sítí. Ne každý ví, že rychlost 11 Mb/s, resp. 54 Mb/s je rychlost na fyzické vrstvě, jenže díky velké režii přenosu je skutečná přenosová rychlost asi 8 Mb/s, resp. 22 Mb/s, což se zatím s rychlostí ethernetu nedá srovnávat. Slouží-li ale WiFi pouze pro přístup do Internetu, tak nám tato rychlost postačuje, neboť rychlost Internetové přípojky bude asi sotva větší. Jisté zrychlení by měl přinést standard 802.11n s rychlostí 108 Mb/s. Nyní přichází další problém týkající se především větších měst a to je vzájemné rušení základnových stanic (právě díky jen třem neovlivňujícím se kanálům),což má za následek zvětšování chybovosti přenášených dat. Toto je zatím ale především problém v USA, kde jsou WiFi sítě už hodně rozšířené, u nás tento problém zatím odpadá.

9. ZÁVĚR Cílem tohoto projektu bylo seznámit se se základy WiFi sítí, jejich hardwarem a návrhem. K pochopení problematiky mě pomohla hlavně kniha Patrika Zandla o WiFi sítích, ale také spousta webových stránek věnujících se tomuto tématu. Oblíbenost WiFi stále roste a podle mého názoru je to budoucnost počítačových sítí. Z důvodu omezené délky projektu nešlo vše rozebírat do podrobností, proto bych na tento projekt chtěl navázat Semestrální projektem 2, ve kterém bych se na tyto sítě zaměřil podrobněji, možná více z praktického hlediska.

19

10. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY

[1] [2] [3] [4] [5]

ZANDL, P.: Bezdrátové sítě WiFi – praktický průvodce, Computer Press, 2003 http://www.wifionline.net/ - český web věnující se WiFi sítím http://www.earchiv.cz/i_wifi.php3 - články s počítačovou problematikou http://czfree.net/ - oficiální stránka české nekomerční sítě http://www.svetsiti.cz/ - stránka zabývající se počítačovými sítěmi

20